Kajian Teknis Pemanfaatan Bio-Massa Di Pabrik Pengolah Minyak Sawit Berkapasitas 30 Ton Perjam Dengan Sistem Kongenerasi

Transkripsi

1 26 Kajian Teknis Pemanfaatan Bio-Massa Di Pabrik Pengolah Minyak Sawit Berkapasitas 30 Ton Perjam Dengan Sistem Kongenerasi Bangbang Hermanto KBK kontrol dan elektronika daya Jurusan Teknik Elektro Program studi Teknik Listrik Politeknik Negeri pontianak ir.bangbang@gmail.com Abstract This thesis examines the potential of bio-mass waste generated from palm oil mills with a capacity of 30 tonnes which will be converted into heat energy for process and electrical energy to drive the motors, in which the two energy sources is a major requirement in the processing of palm oil. Number of factories operating in West Kalimantan is 28 mills with a total capacity of processing fresh fruit bunches by 1,190 tons / hour. Potential sources of renewable energy from waste bio-mass produced: 21.5% empty fruit bunches, fiber 12.5%, and 5.1% shell. From the calculation and field studies, the potential of solid waste are: fibers and fibers using super heat boiler obtained at 44.02% thermal efficiency, power output of 2,064 MW, and the power can be used for external plant of 1,464 mw.steam for the process, is obtained from the steam turbine output, which should be above one atm pressure then used non-condensing turbine one level, with the required generator capacity of 2.58 kva. Keywords cogeneration, super heat, thermal efficiency, type of turbine and generator capacity, fiber, shell. 1. Pendahuluan Kebijakan Pemerintah berkenaan dengan energi nasional adalah [1] : Terwujudnya energi (primer) mix yang optimal pada tahun 2025, yaitu peranan masingmasing jenis energi terhadap konsumsi energi nacional, khususnya biomassa, nuklir, tenaga air, tenaga surya, dan tenaga angin menjadi lebih dari 5% (lima persen). Prakiraan pertumbuhan konsumsi energi listrik Kalimantan Barat rata-rata dari tahun 2011 sampai dengan 2025 adalah sebesar 10,75%, dimana tingkat rasio elektrifikasi pada tahun 2011 sebesar 55%, dengan demikian masih sekitar 45% penduduk Kalimantan Barat saat ini yang belum menikmati listrik ( sumber: RDKL PLN). Dan direncanakan pada tahun 2025 seluruh penduduk (100%) wilayah Kalimantan Barat dapat menikmati aliran listrik. Limbah yang dihasilkan dari proses pengolahan minyak sawit terdiri darri limbah padat yaitu: tangkos sebanyak 21,5 %, dengan nilai kalori 1.438,5 Kkal/kg (campuran 65%), serat sebesar 12,5 % dengan nilai kalori 2.709,3 Kkal/kg (campuran 10%), cangkang sebesar 5,1 % dengan niali kalori 4.498,7 Kkal/kg (campuran 10), dan sisanya berupa limbah cair (pome) 57% [5]. Untuk memproses buah sawit menjadi CPO diperlukan dua sumber energi yaitu: energi panas berupa uap (pada tekanan dan suhu tertentu) untuk proses dan energi listrik untuk menggerakan motor-motor. Dimana uap yang dihasilkan boiler pertama-tama digunakan untuk menggerakan turbin uap yang dikopel dengan generator akan menghasilkan energi listrik, kemudian uap yang keluar dari turbin akan dipergunakan untuk kebutuhan proses-proses pengolahan kelapa sawit menjadi minyal sawit. Mengacu pada latar belakang yang disampaikan diatas, permasalahan yang akan diselesaikan pada penelitian ini adalah : Seberapa besar daya listrik yang dapat dibangkitkan baik untuk kebutuhan pabrik maupun kelebihanya untuk masyarakat sekitar, dengan memanfaatkan limbah bio-massa pabrik minyak sawit, sehingga akan menjadi alternatif untuk mengurangi atau bahkan menggantikan penggunaan sumber energi fosil yang tidak tergantikan dengan sumber energi yang ramah lingkungan dan dapat tergantikan. Ruang li ngkup dari penelitian dibatasi pada : pemilihan kapasitas boiler, analisa proses thermodinamika, menentukan jenis dan kapasitas turbin uap, menentukan kapasitas generator yang akan digunakan, limbahn yang digunakan adalah cangkang dan serat, karena nilai kalori tandan kosong rendah dan perlu proses pencacahan dan pengeringan sebelum digunakan. 2. Teori Dasar Sistem kogenerasi berkembang dari sistem pembangkit listrik tenaga uap, dimana sisa uap yang keluar dari turbin dimanfaatka kembali untuk membangkitkan listrik ataupun untuk prosese-proses tertentu. Kogenerasi adalah penggunaan satu masukan bahan bakar, yang akan menghasilkan secara bersamaan energi yang berguna berupa listrik dan panas. Untuk memproduksi energi listrik, pusat pembangkit tenaga uap pada umumnya akan menghasilkan limbah panas yang keluar dari sistem pembuanganya (exhaust). Dalam hal ini limbah panasnya adalah uap yang keluar dari turbin uap dan digunakan untuk proses-proses pada pabrik pengolah minyak sawit sebagaimana yang dijelaskan pada siklus turbin uap gambar 1. Jurnal ELKHA Vol.5, No 1, Maret 2013

2 27 Gambar1. Sistem kogenerasi Dengan memanfaatkan sisa uap untuk proses tadi maka akan dapat dihemat pemakaian bahan bakar yang digunakan dan meningkatakan peluang efisiensi energi sebagaimana beberapa skenerio berikut: Gambar 2. Sistem kogenerasi Gambar 3. Skenerio 2 Peluang Efisiensi Energi Perhitungan seberapa besar listrik yang dapat dibangkitkan/dihasilkan jika sistem boiler menggunakan super heater dan boiler uap jenuh (saturated) diuraiakan sebagai berikut: 2.1 Sitem Boiler Uap Jenuh (Saturated) [2,4] Dari gambar.5, berdasarkan kurva T S, nilai steam ratio dapat ditentukan berdasarkan penurunan persamaan berikut: Gambar 4. Kurva T S untuk uap jenuh Dari gambar 3. terdapat 4 tahapan proses yaitu: Proses 1 ke 2 Proses penambahan temperatur air umpan sehingga mencapai temperatur penguapan. Proses penguapan pada ketel terjadi pada tekanan dan temperatur yang konsatan. Dalam teori termodinamika persamaan ini ditulis sbb: ( Q in Q out ) + ( W in W out ) = Massa Uap ( h awal h akhir ), (2.1) Dimana, Q in = panas yang masuk Q out = panas yang keluar W in = kerja yang dihasilkan W out = kerja yang diperlukan h awal = enthalpi pada saat awal masuk kondensor h akhir = enthalpi pada saat uap keluar kondensor Apabila, Q out = 0; W in 0; W out = 0, maka : Q in = Massa Uap ( h awal h akhir ), (2.2) Proses 2 ke 3 Proses ekpansi uap ideal yang terjadi pada turbin satu tingkat. Pada proses ekspansi ini maka: Q in = 0 Q out = 0 W in = 0 Maka berdasarkan persamaan (1) besarnya kerja yang dilakukan oleh turbin W out = Massa Uap ( h 2 h 3 ),, (2.3) Proses 3 ke 4 Proses pengembunan, terjadi setelah panas dipakai utuk keperluan proses, dimana temperatur lebih kecil dari 100º C, proses ini dinyataakan dalam persamaan: ( Q in Q out ) + ( W in W out ) = massa fluida ( h awal h akhir ) Dimana Q in = 0 W in = 0 W out = 0, -Q out = massa fluida ( h 4 h 3 ) (2.4) Proses 4 ke 1 Pada proses ini, Q in = 0 Q out = 0 W out = 0 Maka, W in = massa fluida ( h 1 h 4 ), (2.5) Dengan asumsi kerja yang diperlukan ponpa diabaikan maka h 1 = h 4, sehingga effisiensi thermal dari pembangkit listrik kogeneration η Th η Th = =, (2.6) Dan effisiensi pembangkit listrik (plant) kogenerasi dapat ditentukan dari persamaan berikut: η Plant = η Th x η mekanik x η generator, (2.7) 2.2. Sistem Boiler Dengan Super Heater Diagram siklus dengan super heater dapat dilihat pada Gambar.4 Sedikit berbeda dengan siklus yang tidak memakai super heater. Terdapat 5 kondisi, sehingga perhitungan effisiensi termalnya juga berbeda. Menetukan besarnya entalphi (kandungan panas) pada tiap-tiap kondisi uap h 1, h 2, h 3, dan h 4, dari diagaram siklus pembangkitan (power plant) dapat diambil data dari tabel.

3 28 Gambar 5. Diagram T S dengan Supet Heater Dari gambar 5. terdapat 5 tahapan proses yaitu: Prose 1 ke 2 Kerja fluida (cairan) kerja pompa dari tekanan rendah ke tekanan tinggi. Proses 2 ke 3 Cairan bertekanan tinggi memasuki boiler yang dipanaskan pada tekanan konstan oleh sumber panas dari luar menjadi uap saturated kering (dry saturated vapor) Pfroses 3 ke 3 Uap mengalami pemanasan lanjut (super heater). Proses 3 ke 4 Uap saturated kering (dry saturated vapor) diekspansikan ke turbin, membangkitkan daya listrik, uap keluaran dari turbin tekanan dan temperaturnya akan turun dan beberapa kondensasi mungkin akan terjadi. Proses 4 ke 1 Uap basah memasuki kondenser, dimana terjadi kondensasi pada tekanan yang konstan menjadi cairan saturated Dengan menggunakan super heater, maka tekanan dan temperatur dapat dinaikan dan nilai entalphi pada masing-masing kondisi dapat diketahui dengan menggunakan tabel. 3.Perhitungan dan Analissa Mengacu pada kebutuhan uap untuk proses pengolahan minyak sawit pada Perusahaan Pengolah Minyak Sawit PT WBK, total uap yang diperlukan sebesar 17 ton atau kg uap/jam dan data-data pendukung dan asumsi-asumsi untuk dasar perhitungan diuraikan sebagaimana tercantum berikut. Untuk tingkat efisiensi saluran dalam perpipaan sebesar 92,5%, maka kapasitas boiler paling sedikit sebesar: m Boiler = x 100/92,5 = ,4 kg uap/jam., = = 5,105 kg uap/detik ( ) Kadar uap residu boiler (blow down) = 5% Maka kandungan uap jenuh keluaran boiler (x) = 100% - 5% = 95% Efisiensi mekanik turbin (η Mekanik ) = 93% Efisiensi bolier (η Boiler ) = 85% Efisiensi total Generator = 92% (rugi gesek tembaga,rugi angin) 3.1 Perhitungan Menggunakan Boiler Uap Jenuh (saturated). Dengan memperhatikan pada tekanan uap jenuh (saturated) boiler sebesar 20 atm dan temperature/suhu uap jenuh keluaran boiler sebesar : 211,4 ºC, maka nilai entalpi dapat ditentukan dengan menggunakan Tabel 1. Dimana tabel ini memberikan data tekanan, suhu uap jenuh, kalor fasa cair, kalor penguapan, dan besar entalphi (kandungan panas) pada tekanan dan temperature tertentu. Data pada tabel ini akan digunakan untuk menghitung harga farameter-farameter yang dicari sebgaimana tahapan-tahapan berikut: Tahapan 1. Menentukan Nilai Besaran Besarnya tekanan dan temperature, menentukan besarnya entalphi pada masing-masing kondisi uap di h 1, h 2, h 3, dan h 4, sebaimana terlihat pada gambar 3.6. yaitu; Tekanan di titik 2 (P 2 ) = 20 atm, temperatur di titik 2 T 2 = 211,4 ºC, maka nilai entalphi h 2 sebesar 668,5 Kkal/kg. Untuk titik 1, tekanan = 3,5 atm,, dimana nilai ini ada diantara table 3 atm dan 4 atm, maka : Temperatur air umpan/pengisian boiler (temperature feed water boiler) = (132, ,9)/2 = 137,9 (ºC),,kandungan panas h 1 = Q W = (133, ,6)/2 = 138,5 Kkal/kg Nilai kalor penguapan (r) = (516,9 +509,8)/2 = 513,35 Kkal/kg Untuk titik 3, besarnya nilai entalpi h 3 = x r + (1 x)q W h 3 = ( 0,95 x 513,35) + (1 0,95) x 138,5 h 3 = 494,61 kkal/kg Besar entalpi h 1 = h 4 = kandungan panas air umpan boiler = 138,5 Kkal/kg. Tahapan 2. Menentukan efisiensi thermal (η Th ) Dari data-data yang yang diperoleh pada tahapan 1 maka besarnya efisiensi thermal dapat ditentukan dengna mengacu pada persamaan persamaan (6) yaitu: η Th = Kkal/kg. Maka: η Th =,,,, =, dimana h 1 = Q W = 138,5 = 0,32,81 x 100% = 32,81 %. Tahapan 3. Menentukan daya mampu yang dihasilkan turbin P T. Daya mampu yang dihasilkan turbin uap adalah: P T = Δh x m moiler x η Th x η mekanik Dimana besarnya Δh = h 2 h 3 (Kkal/kg) = 668,5 494,61 = 173,89 (Kkal/kg). Maka: P T = 173,89 x 5,105 x 0,2138 x 0,93 = 270,87 KW. Tahapan 4. Menentukan daya yang dihasilkan generator P G Daya yang dihasilkan generator P G = P T x η generator Maka P G = 270,87 kw x 0,92 = 249,2 KW Perhitungan Menggunakan Boiler Panas Lanjut (Super Heater) Tahapan 1. Menentukan Nilai Besaran Sebagaimana pada gambar 2.5 diagram siklus boiler panas lanjut ( super heater) terdiri dari 5 tahapan proses. Menentukan nilai entalphi (kandungan panas) pada setiap tahapan proses (kondisi uap) di h 1, h 2, h 3, dan h 4, steam-plant dengan super heater, datan uap jenuh dapat dilihat pada Tabel 2. Pada boiler dengan sistem

4 29 panas lanjut maka pada tekanan yang sama, suhu dinaikan menjadi 400ºC. Tekanan di titik 2 (P 2 ) = 20 atm, temperatur di titik 2 T 2 = 211,4 ºC, maka nilai entalphi h 2 sebesar 668,5 kkal/kg Untuk titik 3, tekanan = 20 atm, dan temperature di titik 3 (panas lanjut) (T 3 ) = 400 ºC dimana nilai enthalpy h 3 = 774,7 Kkal/kg. Untuk titik 1, tekanan (P 1 ) = 3,5 atm. Temperatur panas air umpan boiler =137,9 (ºC), Kandungan panas (kalor), h 1 = Q W = 138,5 Kkal/kg.dan nilai kalor penguapan r = 513,35 Kkal/kg. Untuk titik 4, besar entalpi h 4 = x r + (1 x)q W, H 4 = ( 0,95 x 513,35) + (1 0,95) x 138,5 = 494,61 Kkal/kg Enthalpi h 1 = h 5 = kandungan panas air umpan boiler = 138,5 Kkal/kg. Tahapan 2. Menentukan efisiensi thermal (η Th ) Dari data-data yang yang diperoleh pada tahapan 1 maka besarnya fisiensi thermal dapat ditentukan dengna mengacu pada persamaan persamaan (6) yaitu: η Th = kkkal/kg. Maka: η Th =,,,, =, dimana h 1 = Q W = 138,5 x 100% = 44,02 %. Tahapan 3. Menentukan daya mampu yang dihasilkan turbin P T. Daya mampu yang dihasilkan turbin uap adalah: P T = Δh x m moiler x η Th x η mekanik Dimana besarnya Δh = h 3 h 4 (Kkal/kg) = 774,7-494,61 = 280,09 (Kkal/kg). Maka: P T = 280,09 x 5,05 x 0,3767 x 0,93 = 500,92 KW. Tahapan 4. Menentukan daya yang dihasilkan generator P G Daya yang dihasilkan generator P G = P T x η generator Maka P G = 500,92 kw x 0,92 = 460,85 KW Analisa Bahan Bakar Bio-mass yang Diperlukan. Jumlah bahan bakar (bio-massa) yang diperlukan untuk mensuplay kebutuhan boiler sesuai dengan kebutuhan proses pabrik pengolahan minyak sawit besarnya ditentukan oleh sistem boiler yang dipergunakan sebagaimana analisa berikut: Kapasitas keluaran boiler (m moiler ) = x η Boiler Jumlah Kalori bio-mass = Kapasitas keluaran boiler (mboiler)x h boiler ηboiler 1.Menggunakan Boiler Saturated, dimana: Δh Boiler (saturated) = h 2 h 3 (kkal/kg) = 668,5 494,61 = 173,89 (kkal/kg) m moiler = ,4 kg/jam (uap) η Boiler = 85% = 0,85 Maka :.,, ( Jumlah Kalori bio-mass = ), = Kkal/Jam Dari data pendahuluan diketahui bahwa volume limbah untuk produksi 30 ton/jam: cangkang sebesar: ( 5,1 % x kg) = 1530 kg/jam, dengan nilai kalori 4.498,7 Kkal/kg, maka potensi kalori tersedia sebesar : 1530 kg/jam x 4.498,7 Kkal/kg = Kkal/jam. Dan limbah serat yang dihasilkan sebesar: ( 12,5 % x kg) = kg/jam, dengan nilai kalori 2.709,3 Kkal/kg, maka potensi kalori tersedia sebesar : kg/jam x 2.709,3 Kkal/kg = ,5 Kkal/jam. Jumlah bahan bakar cangkang yang diperlukan = /4.498,7 (kkal/jam)/(kkal/kg) = 835,75 kg/jam. Jumlah bahan bakar serat yang diperlukan = /2.709,3 (kkal/jam)/(kkal/kg) = 1.387,73 kg/jam. 2. Menggunakan Boiler Sistem Panas Lanjut (super heater). Dimana: Δh Boiler = h 3 h 4 = 774,7-494,61 = 280,09 (Kkal/kg). m moiler = ,4 kg/jam (uap) η Boiler = 85% = 0,85.,, ( Jumlah Kalori bio-mass = ) = , Kkal/jam.. Jumlah bahan bakar cangkang yang diperlukan = /4.498,7 (Kkal/jam)/(Kkal/kg) = 1.348,17 kg/jam. Jumlah bahan bakar serat (shell) yang diperlukan = /2.709,3 (kkal/jam)/(kkal/kg) = 2.238,59 kg/jam. 3.4 Analisa Potensi Daya Listrik Berdasarkan Limbah Yang Tersedia. Dari perhitungan 3.1 dan 3.2 dengan menggunakan boiler super heater daya yang dihasilkan lebih tinggi, maka dalam analisa ini digunakan boiler super heater. 1. Untuk bahan bakar cangkang saja potensi daya listrik yang dihasilkan: P G (Potensial) =.. P G (Potensial) = x 460,8 KW.. P G (Potensi) = 843,67 KW 2. Untuk bahan bakar serat saja: P G (Potensi) = = ( ) =.., x 460,8 KW.. P G (Potensial) = P G (Potensl) = 1.220,42 Kw atau 1,22 MW. 3. Kapasitas generator yang harus disediakan dengan asumsi cos = 0,8 adalah: 1,22/0,8 = 1,525 KVA 3.5. Analisa Ketersediaan Daya Listrik Untuk Pihak Luar. Dari analisa 4. menggunakan bio-massa serat menghasilkan daya listrik yang dihasilkan lebih tinggi dibandingkan bio-massa cangkang. Dan daya listrik yang diperlukan pabrik pengolah minyak sawit sebesar 600 KW (sumber: PT WBK), maka daya yang tersedia untuk pihak luar sekitar pabrik adalah sebesar: ( 1.220, ) KW = 620,42 KW. Jurnal ELKHA Vol.5, No 1, Maret 2013

5 30 4. Kesimpulan 1. Boiler dengan sistem uap panas lanjut efisiensinya lebih tinggi dibandingkan dengan boiler sitem uap jenuh. Maka boiler yang digunakan dipilih boiler dengan sistem panas lanjut (super heater), efisiensi termal yang dihasilkan sebesar 44,02 %. Dimana kapasitas boiler ,4 kg uap/jam, dengan tekanan 20 atm dan suhu 400ºC 2. Turbin yang digunakan adalah jenis turbin non condensing satu tingkat, hal ini mengingat tekanan uap keluaran turbin harus diatas 1 atm untuk dapat dipergunakan pada proses-proses pengolahan minyak sawit.. 3. Berdasarkan kebutuhan pabrik untuk proses saat ini sebesar 17 ton atau kg uap/jam, maka kebutuhan bahan bakar bio-masaa (dengan boiler super heater) yang dihasilkan dari limbah pabrik masih mencukupi yaitu jika cangkang saja sebesar 1.348,17 kg/jam. Yang dihasilkan pabrik sebesar kg/jam. Demikian juga jika menggunakan limbah serat saja yang diperlukan sebesar 2.238,59 Kg/jam.Yang dihasilkan pabrik tersedia sebesar: Kg/jam. 4. Dengan memanfaatkan seluruh limbah bio-massa serat dengan boiler panas lanjut, potensi daya listrik yang akan dihasilkan dan memungkinkan dimanfaatkan masyarakat sekitar pabrik sebesar: 620,42 KW 5. Kapasitas generator yang harus disediakan sebesar 1,525 KVA. Biografi. Bangbang Hermanto, lahir di Tasikmalaya, Indonesia pada 4 April Memperoleh gelar Insinyur (Ir) pada tahun 1993 dari Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Elektro, Universitas Tangjungpura, Pontianak Indonesia. Sejak tahun 1994 sampai sekarang menjadi staf pengajar pada Politeknik Negeri Pontianak pada Kelompok Bidang Keahlian (KBK) Kontrol dan Elektronika Daya. Referensi. [1]. Per-Pres R.I. No.5 tahun 2005, Tentang Kebijakan Energi Nasional [2]. Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di [3]. Raliance Energi (Anil Dhirubhai Ambani Group), Coogeneration, CHP As a Future Power & Heart. [4]. Sudirman Palaloi, Tahapan Mendisain Sistem Pembangkit Tenaga Listrik Balai Besar Teknologi Energi (B2PT)- BPPT Puspitek Tanggerang [5].Manual Books,Power Station Desain & Operation, Pabrik Minyak Sawit PT. BPJ, Sintang. Jurnal ELKHA Vol.5, No 1, Maret 2013

6 Jurnal ELKHA Vol.5, No 1, Maret